O3-BAC工藝補炭后去除氨氮與亞硝酸鹽氮的效果分析

陳妙蘭

(東莞市水務集團供水有限公司，廣東東莞523112)

隨著水環境的日益惡化和水源污染問題的突出，以地表水為水源的水廠已無法以常規工藝應對微污染水源。為滿足飲用水水質標準，臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝得到廣泛應用與研究。該工藝將臭氧的化學氧化作用、活性炭的物理化學吸附作用和微生物的生物降解作用有機結合、相互促進。從20世紀60年代以后，O3-BAC工藝逐漸被美國、加拿大、日本、 歐洲等發達國家和地區廣泛地應用到微污染水的深度處理中。國內最早采用O3-BAC工藝的是1985年正式投產的北京田村山水廠。目前很多水廠的生物活性炭濾池已經運行多年，陸續出現炭濾料吸附值指標和強度下降的現象，活性炭濾料呈現不同程度的粉末化，正常反沖洗時出現炭粒磨損加重和破碎現象，炭粉增多，炭層厚度均有所下降。筆者通過向炭濾池組補充舊炭，研究對比補炭對炭濾池去除氨氮和亞硝酸鹽氮的效果的影響。試驗中的水廠是其所在地級市首家采用O3-BAC深度處理工藝的水廠，于2009年9月正式投產至今。

1 材料與方法

1.1 水廠概況

南方某水廠的設計規模為50×104m3/d，在常規處理工藝的基礎上增加了O3-BAC工藝。活性炭濾池分為2座，即東西流向各1座，每座分6格，每排3格，每格活性炭濾池面積為158.2 m2，濾料上層采用顆粒活性炭(設計粒徑為0.65～0.75 mm)，濾料初始裝填厚度為2.3 m，下層采用粗砂(設計粒徑為2～3 mm)，濾料初始裝填厚度為0.3 m。預臭氧常規投加量為0.5 mg/L，主臭氧常規投加量為1.0 mg/L。該水廠水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 水處理工藝流程Fig.1 Water treatment process

1.2 濾池補炭后的炭層厚度

截至2019年9月，活性炭濾池已運行10年，炭層厚度降低較多。2016年至2017年，對1號～5號炭濾池進行了補炭，6號～12號炭濾池未補炭，所補充的活性炭與炭濾池原有活性炭為同一批次，即初始裝填活性炭濾池后剩下的未開封的袋裝顆粒活性炭。西邊炭濾池組包含1號～6號炭濾池，東邊炭濾池組包含7號～12號炭濾池，2018年測得西邊炭濾池組炭層總體平均厚度為2.03 m，東邊炭濾池組炭層總體平均厚度為1.77 m，如表1所示。

表1 炭濾池炭層平均厚度Tab.1 Average thickness of carbon layer in carbon filter

1.3 試驗材料與方法

2018年至2019年排澇期間，當砂濾后水氨氮大于0.02 mg/L時，分別取砂濾后水、炭濾后水檢測氨氮、亞硝酸鹽氮，取樣頻率為每4 h一次。砂濾后水指經過V型砂濾池處理后的集中出水，炭濾后水是指分別經過東邊、西邊炭濾池組處理后的集中出水。

按照《水楊酸鹽分光光度法》(GB/T 5750.5—2006)檢測氨氮，按照《重氮偶合風光光度法》(GB/T 5750.5—2006)檢測氨氮，使用Shimadzu UV-2550可見紫外分光光度計檢測亞硝酸鹽氮。

2 結果與討論

2.1 對氨氮的去除效果

補炭后的西邊炭濾池組與未補炭的東邊炭濾池組對氨氮去除的效果，如圖2所示。取樣時間分別為2018年8月31日14:00、18:00和22:00(1#、2#、3#)，2018年9月1日2:00和6:00(4#、5#)；2019年4月20日2:00、6:00和10:00(6#、7#、8#)。其中2018年深度處理綜合池未投加臭氧，2019年3月26日恢復正常投加主臭氧，主臭氧有效投加量為1 mg/L。

圖2 炭濾池組對氨氮的去除效果Fig.2 Removal effect of carbon filter groups on ammonia nitrogen

由圖2可見，東、西邊炭濾池組對氨氮的去除效果差別不大，這是因為生物活性炭濾池對氨氮的去除主要是依靠硝化菌的硝化作用，東西邊炭濾池炭層厚度均大于硝化氨氮的最佳床層高度(300～900 mm)[1]，所以對氨氮的去除效果基本相同。硝化菌是自養型細菌，其從二氧化碳中獲取碳源，從氧化無機物過程中獲取能量，通常條件下生長速度很慢。而該水廠所處地區水源水的氨氮通常均較低，砂濾后水氨氮長期小于最低檢測值0.02 mg/L，限制了活性炭濾池內硝化菌的生長繁殖和有效生物膜的形成，因此無法應對低濃度和突發性高濃度氨氮進水。但高濃度氨氮進水維持一段時間后，活性炭濾池對氨氮的去除效果會顯著提高。

溫度對硝化菌的生長增殖速率和代謝活性也有較大影響，一般認為硝化菌最適宜生長的溫度在30 ℃左右，低于15 ℃時硝化速率顯著下降[2]。2018年8月31日和9月1日，環境溫度較高，硝化菌生長繁殖速率較快，因此兩邊炭濾池組對氨氮的處理效果均較好。而2019年4月20日是春季，剛經歷了冬季硝化菌活性較低、生長繁殖速率較低的階段，所以對氨氮的處理能力均較差。同時從2018年和2019年的數據可以看出，兩組活性炭濾池去除氨氮的效果與深度處理工藝是否投加臭氧無關。

2.2 對亞硝酸鹽氮的去除效果

補炭后的西邊炭濾池組與未補炭的東邊炭濾池組去除亞硝酸鹽氮的效果，如圖3所示。其中1#、2#、3#的取樣時間分別是2018年8月31日14:00、18:00、22:00；4#為2018年9月1日2:00，期間深度處理綜合池未投加臭氧。

圖3 炭濾池組對亞硝酸鹽氮的去除效果Fig.3 Removal effect of carbon filter groups on nitrite nitrogen

由圖3可見，東、西邊炭濾后水的亞硝酸鹽氮濃度基本高于砂濾后水，東邊炭濾池組出水亞硝酸鹽氮濃度比西邊炭濾池組稍低。生物活性炭濾池氮化循環分為硝化作用和反硝化作用，其中硝化作用分為氨氧化和亞硝酸氧化兩個階段，分別由亞硝酸菌先將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，硝酸菌再將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮[3]。由此可見，亞硝酸菌的氧化產物是后者的氧化底物。因此硝酸菌所去除的亞硝酸鹽氮由兩部分組成，分別是進水原有的亞硝酸鹽氮及由氨氮轉化而來的亞硝酸鹽氮。

由圖2和圖3可見，砂濾后水中氨氮遠大于亞硝酸鹽氮，即由氨氮轉化而來的亞硝酸鹽氮所占比例更大。所以亞硝酸鹽氮存在兩種進水濃度，分別是表觀進水濃度和實際進水濃度。對于一般微污染原水，亞硝酸菌比硝酸菌的生長速率大[4]。當進水亞硝酸鹽氮含量比較低時，生物活性炭濾池中硝酸菌的生長代謝較慢、繁殖速率較低，而亞硝酸菌相對增殖更快、活性更高、代謝更旺盛，在此環境下硝酸菌在氮化生物循環過程中未能及時將亞硝酸鹽氮轉化為硝酸鹽氮，即表觀進水濃度比較低時會出現亞硝酸鹽積累現象。Anthonisen等[5]認為游離氨對硝酸菌的抑制閾值為0.1～1.0 mg/L，對亞硝酸菌的抑制閾值為10～150 mg/L。

由圖2和圖3可見，當砂濾后水能檢測出亞硝酸鹽氮時，砂濾后水對應時間點的氨氮為0.21～0.99 mg/L。這說明對應時段硝酸菌的生長繁殖受到游離氨的抑制作用，而亞硝酸菌并未受影響，因此同樣表現為亞硝酸鹽氮積累。該水廠的生物活性炭濾池在建設時，已經按固定點設定恒定水位1.25 m來自動調節出水閥開度的大小。東邊炭濾池組相對西邊炭濾池組總體炭層高度要低，恒定水位情況下兩組炭濾池的出水閥開度基本一致，而東邊炭濾池組上方水量較多，水與濾料的接觸時間相對更長，硝酸菌有更多的時間將亞硝酸鹽氮轉化為硝酸鹽氮，因此東邊炭濾池組出水亞硝酸鹽氮比西邊炭濾池組稍低。

3 結論與建議

① 補炭后的炭濾池組與未補炭的炭濾池組對氨氮的去除效果幾乎沒有區別，補炭的炭濾池組對亞硝酸鹽氮的去除效果稍差，但區別不大，生物活性炭濾池對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果主要與硝化菌的生物量和生物活性、炭層厚度、接觸時間等因素相關。因此，若只考慮對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果，那么經過多年運行的活性炭濾池只要厚度不低于1 m，就沒有必要補充放置較長時間的顆粒活性炭。

② 考慮到活性炭濾池長期使用后出現大量粉化，濾料間粘度和阻力增大，水頭損失增加，可能造成炭粉穿透承托層影響出水濁度的風險，并結合活性炭濾料的亞甲基藍吸附值、碘吸附值、強度、粒徑等各項性能指標大幅下降以及對有機物、消毒副產物的去除效果均有所下降的情況，為保障出水水質達標和活性炭濾池正常運行，應該考慮更換活性炭。

③ 可采用10～30 nm的孔容積作為長期運行活性炭濾池性能變化的指示指標[6]，當濾料粒徑大于0.8 mm的比例小于37%、K80大于3.6時，會引

起活性炭濾池水頭損失過高、產水量降低，存在運行失效風險。因此，需要長期監測活性炭濾池的活性炭結構特性、粒徑分布、破碎化程度以及O3-BAC工藝對水質指標的去除效果等，綜合判斷是否需要更換活性炭。